变频调速在降低通风机能耗中的应用

殷基林，刘德成，廖松保，程小伟

（永城煤电控股集团有限公司陈四楼煤矿，河南永城 476600）

0 引言

矿井通风机是煤矿的主要耗能设备之一，据有关资料显示，在煤炭行业，通风机的能耗占其总能耗的35%左右。目前，我国煤炭行业使用通风机的数目较多，且普遍存在运行效率低下的问题，在实际的生产运行中效率很少达到70%，一般的只在50%左右，从而造成能源的巨大浪费。当前，我国的经济飞速发展，对能源的需求大大增加，煤矿风机作为耗能大户，降低其能耗不仅能降低煤矿生产成本产生直接经济效益，而且对整个国民经济的可持续发展和环境保护也具有深远的意义。

1 通风机调速节能分析

1.1 风机参数及特性曲线

通风机的主要参数有五个：风量（Q）、风压（H）、功率（P）、效率（ η）、转速（N），其中风量、风压和功率与转速有如下制约关系[1]：

上式表明：风量Q 与转速N 的一次方成正比；风压H 与转速N 的平方成正比；功率P 与转速N的三次方成正比。

将通风机主要参数之间的关系用图形表示，即风机的特性曲线（Q-H曲线），如图1所示。

图1 变频调速节能原理示意图

图1 中：R1、R2表示井下通风网阻力特性曲线；N1、N2表示转速为N1、N2时的Q－H曲线；η为风机效率。

1.2 变频调速技术介绍

变频调速技术是通过改变电动机工作电源而改变电动机的转速。其理论依据是[2]：

其中：N 为电机转速；s 为电机转差率；p为电机磁极对数；f 为输入电源频率。

可以看出当转差率s和磁极对数p一定时，改变输入电源的频率f就可以调节电动的转速n。风机调速就是用变频调速器来调节风机的电动机的转速。采用变频技术后电机输入功率与输入电流频率之间关系如图2所示。

图2 电机输入功率与频率关系图

1.3 变频调速节能分析

风机调节是由于井下不同生产时期需风量不同，为了满足井下风量的要求必须要调节风机的工况点。从理论上可以从以下三个方面实现风机工况点的改变：改变风机自身的特性曲线、改变通风网路的风阻特性曲线以及两者相结合。具体的方法有两种：（1）风机恒速调节，这种方法主要是调节通风网路的风阻；（2）风机变速调节，该方法主要是改变风机自身的特性来实现工况点的改变。

图1中曲线a为通风机进风道的调节阀门全开时通风网路的风阻特性曲线，c为电动机转速为N1时风机的Q-H 曲线，Q1为风机调节前的风量；曲线b 为通风机进风道的调节阀门关小时通风网路的风阻特性曲线，c 为电动机转速为N2时风机的Q-H 曲线，Q2为根据井下生产调节后的风量。将风量从Q1调到Q2有两种方案：方案一采取措施增大通风网路的风阻使风阻特性曲线从R1变到R2；方案二网路的风阻不变使电动机的转速从N1调到N2。这两种方法都可以满足生产的要求，但是二者之间存在很大的差别。采用第一种方案调节后风机的工况点位B 点；采用第二种方案后风机的工况点变成C点。

本文设工况点B 和C 的参数分别为（Q2，HB，ηB）、（Q2，HC，ηC）。可以看出HB＞HC、ηB＞ηC，它们的风量相等。根据通风机轴功率计算公式：

p=λQH/η

其中：λ—流体的容重。

从上式可以得出：风机的轴功率与Q、H 的乘积成正比，风机在工况点A 运行时，轴功率与四边形AHA0Q1的面积成正比，当通过改变通风网路的风阻特性曲线后，风机的工况点为B，该点压力HB较A 点反而增大了，其轴功率与四边形BHB0Q2的面积成正比，从图1中可以明显地看出两点的轴功率变化不大；通过变频调速后，风机的工况点为C，该工况点的压力HC明显的降低了，其轴功率与四边形CHC0Q2的面积成正比，可以看出四边形CHC0Q2的面积明显比四边形BHB0Q2的面积小，图1中所示阴影部分的面积就是采用变频调速技术所节约能耗的比例，因此节能效益相当显著。也就是说在输出风量一定的情况下，通过变频调速的方式可以降低轴功率的消耗。

在实际现场应用中常用下面的近似计算公式[3]计算轴功率：

P=QH/102，

则：

C点的轴功率与B点的轴功率之差为：

该计算结果表明：在获得同样风量的条件下，采用变频调速技术调节风机的工况点比采用传统的增大通风网路风阻的办法少耗电△p，这与前面对图1的分析结果保持一致。同时，从图1上还可以看出：调节后的风量越小，采用网路调节时风阻越大，损失的轴功率就越大；而采用变频调速所消耗的轴功率就越小，就越体现了变频调速技术的优势[4]。

2 变频调速的应用及优点

2.1 变频调速技术的应用

从图1 中可以看出采用变频调速后，风机的效率较采用增加通风网路的调节方法有所降低，但是现场的实际应用证明：虽然调速以后效率有所降低，但是大大的减少了轴功率的消耗，节能效果仍然十分明显。表1 是陈四楼煤矿综掘四队压入式局部风机在技术改造前后风机运行的性能参数，该矿在技术改造中在风机上增加了变频调速系统。

表1 输入功率相同时的风量比较结果

从表1 可以看出在投入变频器后，在保证供风量不变的情况下输入功率减小了5.8 kW，从而降低了风机能耗。

2.2 变频调速技术的优点

（1）节能显著，许多矿井改造中都表明使用变频器后可以大大降低通风耗电成本。

（2）使用变频调速技术后可以实现软启动，启动平稳。现场经验表明启动过程中最大电流不会超过额定电流的1.2倍，而且在启动过程中没有噪音和剧烈振动，也没有电流冲击。从而可以延长电器元件的寿命。

（3）提高井下作业的安全系数，把变频器的控制系统与瓦斯监测系统联网，当井下发生瓦斯涌出时，通过瓦斯监测系统自动改变变频器的工作频率，使风机转速自动提高，增大供风量，冲淡工作面的瓦斯。

（4）变频调速技术还有其他很多方面的优点。风机的转速越高，风机的启动电流就越大，可以采用变频技术，在低频条件启动，直到风机运行稳定后再调到所要的频率以满足生产需要。

3 结语

变频调速技术应用于风机，节能效果十分显著，如果将变频调速系统在通风机上推广使用，将会在很大程度上降低煤炭生产的能耗，产生巨大的经济效益。不仅如此，变频调速器与煤矿上其他系统（如安全监测监控系统）相耦合，可以根据井下的工作环境的参数实时调节通风机的风量，以满足生产的要求。这样不仅大大降低了风机的能耗，给煤矿带来了可观的经济效益，还提高了井下工作环境的安全系数。同时变频调速技术的应用可以实现用计算机来自动调节风机风量，实现风量调节智能化，变频调速技术把数字化矿山的建设又向前推进了一步。

［1］王德明，周福宝.矿井通风与安全新技术［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2002.

［2］丁斗章.变频调速技术与系统应用［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［3］张少春，秦喜文.利用变频技术实现风机节能［J］.技术经验，2000（4）：44-46.

［4］吴建华.矿用通风机变频节能技术研究［J］.露天采矿技术，2010（4）：68-69.

［5］赵俊文.变频调速技术在煤矿主通风机的中应用［J］.情报科技开发与经济，2007（33）：38-41.